Falcon9系列任務(wù)手冊(cè)全解讀

+ 宋強(qiáng)

從2010年6月4日到計(jì)劃于11月5日（UTC）發(fā)射的第三代GPS導(dǎo)航定位的第四顆衛(wèi)星，在10年5個(gè)月的時(shí)間里，F(xiàn)alcon 9系列將完成100次發(fā)射的壯舉。這里的Falcon 9系列包含了三發(fā)Falcon Heavy，但不包括2016年9月1日在發(fā)射臺(tái)爆炸的那一枚。

之所以這么歸類，是因?yàn)镕alcon 9火箭，LEO能力從最早9900kg的v1.0，到10450kg的v1.1，再到22800kg的v1.2，能力提高了1倍有余，既然把它們都稱為Falcon 9，那為什么不能將Falcon Heavy納進(jìn)來(lái)統(tǒng)一稱為Falcon 9系列呢？（參見(jiàn)表1）

100發(fā)，不僅是一個(gè)具有符號(hào)意義的數(shù)字，更是一個(gè)代表型號(hào)成熟的標(biāo)志。

SpaceX成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)久矣，也一直是航天業(yè)者的討論熱點(diǎn)，為什么一直討論SpaceX呢？一方面是其確實(shí)出色，另一方面是因?yàn)槠湎鄬?duì)開(kāi)放透明的對(duì)外策略：每次發(fā)射前有press kit，有視頻直播，有各路大V在社交媒體上的表現(xiàn)等等。本文要關(guān)注的就是這個(gè)press kit，直譯過(guò)來(lái)是新聞資料袋，實(shí)際上就是個(gè)對(duì)外發(fā)布的任務(wù)手冊(cè)，包含有空間任務(wù)的一些基本情況。業(yè)界總在討論Falcon 9火箭產(chǎn)品開(kāi)發(fā)快速迭代、不斷改進(jìn)，這個(gè)小冊(cè)子里應(yīng)該或多或少都會(huì)有所體現(xiàn)，本文搜集了官方發(fā)布的SpaceX入軌發(fā)射的所有任務(wù)手冊(cè)（截止到DM-2/Crew Dragon發(fā)射，共計(jì)86+3份）。

一、任務(wù)手冊(cè)里包含了什么

任務(wù)手冊(cè)并不是SpaceX獨(dú)有的，很多國(guó)外火箭一些可以公開(kāi)的任務(wù)都有press kit，國(guó)內(nèi)的也有，只是不在網(wǎng)上對(duì)外發(fā)布。（參見(jiàn)圖1）

在早期，SpaceX的任務(wù)手冊(cè)內(nèi)容很豐滿，有火箭、載荷、發(fā)射場(chǎng)、大工程背景、科學(xué)項(xiàng)目、公司、領(lǐng)軍人物等各種信息的介紹，筆者關(guān)注的火箭這一部分，有詳細(xì)的射前準(zhǔn)備流程、飛行時(shí)序、發(fā)動(dòng)機(jī)性能等信息，隨著Falcon 9火箭的不斷成熟，press kit的內(nèi)容也在不斷縮水，許多重復(fù)的內(nèi)容都省略了，甚至在DM-2/Crew Dragon之后就停止了發(fā)布。表2給出了幾型典型火箭、幾次任務(wù)手冊(cè)的內(nèi)容對(duì)比情況。

表1 Falcon 9系列一覽

圖1 Soyuz和Falcon9任務(wù)手冊(cè)封面

再結(jié)合space launch report網(wǎng)站整理的發(fā)射簡(jiǎn)報(bào)，每發(fā)任務(wù)的時(shí)序、目標(biāo)軌道、載荷重量都能了解個(gè)八九不離十。

二、從任務(wù)手冊(cè)我們能收獲什么

1.數(shù)說(shuō)Falcon 9/H發(fā)射記錄

我們通過(guò)對(duì)Falcon 9/H發(fā)射記錄進(jìn)行多維度的梳理與統(tǒng)計(jì)，由數(shù)據(jù)分析揭示SpaceX的發(fā)展歷程，這些維度包括：發(fā)射軌道類型、不同首區(qū)發(fā)射次數(shù)、歷年發(fā)射次數(shù)、任務(wù)性質(zhì)、各型號(hào)版本發(fā)射次數(shù)、發(fā)射載荷質(zhì)量（若無(wú)特別說(shuō)明，一箭多星按單次發(fā)射的總重計(jì)）等多個(gè)方面。（參見(jiàn)圖2-12）

LEO任務(wù)占比約50%，GTO(+/-)任務(wù)占比接近3 0%，其他任務(wù)約20%。

南射向發(fā)射大傾角軌道（如：二代銥星組網(wǎng)）一般在范登堡空軍基地（VA）進(jìn)行，占比約15%；東（北）射向任務(wù)（如：國(guó)際空間站補(bǔ)給、GTO）均在卡納維拉爾角（CC）/肯尼迪航天中心（KC）進(jìn)行，占比85%。

在2016年后，發(fā)射量基本達(dá)到兩位數(shù)，2018年達(dá)到21次，2020年有望創(chuàng)造新的紀(jì)錄。

政府發(fā)射任務(wù)占比約40%，主要包括NASA商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)（CRS）20次以及空軍、NRO、國(guó)防部的任務(wù)。

雖然隨著任務(wù)數(shù)量的累計(jì)，政府發(fā)射任務(wù)的比例呈逐漸降低的趨勢(shì)，但這也一定程度上說(shuō)明在研制早期，政府訂單對(duì)SpaceX的強(qiáng)大支撐作用。

2019年之前，商業(yè)發(fā)射以GTO商業(yè)衛(wèi)星、銥星為主，在星鏈項(xiàng)目進(jìn)入組網(wǎng)發(fā)射后，其發(fā)射次數(shù)和占比短時(shí)激增，已占到總商業(yè)發(fā)射的20%，而且長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看還將高速增長(zhǎng)，其自身創(chuàng)造發(fā)射需求的特征非常顯著。

表2 任務(wù)手冊(cè)包含內(nèi)容的對(duì)比

圖2 發(fā)射軌道類型分布

圖3 首區(qū)發(fā)射次數(shù)分布

圖4 歷年發(fā)射次數(shù)分布

圖5 任務(wù)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)

早期版本的v1.0和重型發(fā)射數(shù)量很少，二者之和也不及兩位數(shù)，v1.2大量發(fā)射，達(dá)到總量的約75%。

在56次LEO(/ISS)任務(wù)中，有47次任務(wù)的載荷超過(guò)5t，23次為龍飛船CRS任務(wù)，15次為星鏈，8次為銥星。

在所有發(fā)射載荷中，60%以上大于5t，小于1t的只有5次。單次發(fā)射載荷質(zhì)量最小的是TESS深空探測(cè)器（0.35t），最大的是星鏈一箭60星組批發(fā)射（15.6t）。

在30次GTO發(fā)射任務(wù)中，50%超過(guò)5t。

進(jìn)一步對(duì)GTO任務(wù)進(jìn)行主載荷單星質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)分析，可見(jiàn)Falcon 9主要承擔(dān)的是5t級(jí)一箭一星任務(wù)，單星質(zhì)量小于4t的占30%，小于3t的占12%。

從上述統(tǒng)計(jì)，可知：

Falcon9主要承攬的是LEO（含部分大傾角、非SSO的任務(wù)，如二代銥星）和GTO任務(wù)；簡(jiǎn)而言之SpaceX用一型火箭包攬了其他發(fā)射服務(wù)商好幾型火箭的任務(wù)；

主要在卡納維拉爾角/肯尼迪航天中心進(jìn)行發(fā)射，占比約80%；

以CRS任務(wù)為代表的政府發(fā)射訂單對(duì)SpaceX有強(qiáng)力支撐作用；

作為初始版本的v1.0與中間版本的v1.1，在有限的發(fā)射次數(shù)后，即停產(chǎn)棄用；

GTO載荷5t級(jí)（含以上）居多，占到70%；

近年來(lái)，星鏈項(xiàng)目發(fā)射需求激增，SpaceX自身創(chuàng)造發(fā)射需求的特征非常顯著。

2.Falcon9構(gòu)型發(fā)展歷程

Falcon9發(fā)展歷程所涉及的主要參數(shù)見(jiàn)表3。

圖6 任務(wù)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)（續(xù)）

圖7 各型號(hào)發(fā)射次數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖8 LEO載荷發(fā)射次數(shù)統(tǒng)計(jì)（大于5t）

圖9 發(fā)射載荷質(zhì)量分布統(tǒng)計(jì)

圖10 GTO發(fā)射載荷質(zhì)量分布統(tǒng)計(jì)（單次發(fā)射）

圖11 GTO發(fā)射載荷質(zhì)量分布統(tǒng)計(jì)（單星）

Falcon9的三個(gè)版本對(duì)比示意圖給出了三個(gè)版本對(duì)比（參見(jiàn)圖13），其中：

v1.0即Block1，F(xiàn)1-F5，發(fā)射了5次；

v1.1即Block2，F(xiàn)6-F20，發(fā)射了15次；

v1.2可細(xì)分為Block3-5三個(gè)版本，由于在后期出現(xiàn)了回收的老版本一級(jí)+高版本二級(jí)混搭使用的情況，故一般籠統(tǒng)稱為v1.2，F(xiàn)21-F81，發(fā)射了61次（不含重型發(fā)射的3次），F(xiàn)55為Block5構(gòu)型首飛。

從表3中可見(jiàn)，各版本間的主要區(qū)別在于發(fā)動(dòng)機(jī)性能（推力、比沖）增加、子級(jí)長(zhǎng)度/加注量增加，這種改進(jìn)未必能通過(guò)飛行時(shí)序直接表現(xiàn)出來(lái)，與國(guó)內(nèi)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不變、單純?cè)黾幼蛹?jí)長(zhǎng)度，繼而延長(zhǎng)該級(jí)飛行時(shí)間有所不同。

從v1.1開(kāi)始，進(jìn)行了一級(jí)垂直回收試驗(yàn)，并在F21和F23分別取得首次陸上、海上回收成功。

在任務(wù)手冊(cè)中能夠映證的4個(gè)項(xiàng)目如下：

一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流能力的變化；

級(jí)間段長(zhǎng)度變化（二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管增長(zhǎng)）；

采用過(guò)冷推進(jìn)劑；

一級(jí)重復(fù)使用的頻率。

3.按型號(hào)改型版本解讀

按型號(hào)三個(gè)版本進(jìn)行關(guān)機(jī)時(shí)間的對(duì)比統(tǒng)計(jì)（圖14），可見(jiàn)一級(jí)關(guān)機(jī)時(shí)間140～180s不等，不僅和型號(hào)版本有關(guān)，從v1.1開(kāi)始陸續(xù)進(jìn)行一級(jí)回收試驗(yàn)，一級(jí)關(guān)機(jī)時(shí)間與是否回收，是陸地回收還是海上回收也有關(guān)系。

在F4、F5任務(wù)手冊(cè)中，明確描述了一級(jí)兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)提前關(guān)機(jī)，起到關(guān)機(jī)過(guò)載控制的作用，在v1.1型首飛的F6任務(wù)中提及在接近一級(jí)關(guān)機(jī)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行節(jié)流以控制關(guān)機(jī)過(guò)載。

圖12 GTO發(fā)射載荷質(zhì)量統(tǒng)計(jì)_續(xù)

表3 Falcon9火箭發(fā)展歷程所涉及主要參數(shù)

二級(jí)工作時(shí)間（圖15），基本與表3中所記錄的350～400s相符，有部分超出此范圍的子樣，可能和使用過(guò)冷推進(jìn)劑、目標(biāo)軌道/載荷質(zhì)量差異、發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流、部分時(shí)序數(shù)據(jù)僅精確到分鐘等因素綜合作用有關(guān)。

最大動(dòng)壓時(shí)刻發(fā)生在60～85s區(qū)域內(nèi)，與每次具體飛行方案有關(guān)。（圖16）

對(duì)于有多次啟動(dòng)的任務(wù)，統(tǒng)計(jì)了滑行時(shí)間（圖17）：以發(fā)射GTO任務(wù)滑行1000s左右的居多，其次是采用滑行約半個(gè)軌道周期（2500s）、霍曼轉(zhuǎn)移方案的二代銥星、星鏈等近地軌道任務(wù)，滑行時(shí)間最長(zhǎng)的是GPS導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)（未將Falcon 9H的一并統(tǒng)計(jì)，F(xiàn)alcon 9H-3二級(jí)執(zhí)行了4次啟動(dòng)，滑行時(shí)間累計(jì)11879s，＞3小時(shí)）。

從二級(jí)關(guān)機(jī)到載荷分離所間隔的時(shí)間（參見(jiàn)圖18），多集中在幾十秒～幾百秒不等，GPS導(dǎo)航衛(wèi)星和星鏈發(fā)射任務(wù)則相對(duì)較長(zhǎng)，達(dá)到2800s和近1000s。即便考慮末速修正和調(diào)姿定向，幾百秒以上的時(shí)間也顯得冗長(zhǎng)，綜合考慮可能是出于分離點(diǎn)測(cè)控條件的考慮，以GPS導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射為例：二級(jí)關(guān)機(jī)點(diǎn)位于澳大利亞南部上空，星箭分離點(diǎn)位于美國(guó)西海岸西南部上空。

在一二級(jí)分離附近，從一級(jí)關(guān)機(jī)到分離、從分離到二級(jí)啟動(dòng)，兩個(gè)相對(duì)時(shí)間信號(hào)取值分布見(jiàn)一級(jí)分離相對(duì)時(shí)間圖（參見(jiàn)圖19）?？梢?jiàn)分離到前者 3-4s居多，關(guān)機(jī)后效結(jié)束執(zhí)行分離，在v1.1前兩次飛行中，取了7s和5s，可理解為新改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，保守多留了幾秒。

Falcon9級(jí)間分離是冷分離，作動(dòng)桿反推，從分離到二級(jí)啟動(dòng)的時(shí)序設(shè)計(jì)，理論上和級(jí)間段長(zhǎng)度（分離行程）、一級(jí)剩余推進(jìn)劑質(zhì)量、分離力（分離速度）應(yīng)有關(guān)系，圖20中數(shù)據(jù)的表現(xiàn)并不能支撐相關(guān)推斷。v1.2首發(fā)F21取值11s，同前述還可解讀為硬件改進(jìn)后首發(fā)的保守，但之后多發(fā)穩(wěn)定在7～8s中，偶爾為1～4s，難道與一級(jí)復(fù)用的情況有關(guān)？類似的相對(duì)時(shí)序，國(guó)內(nèi)火箭在型號(hào)固化后一般是不會(huì)有改動(dòng)的，畢竟已經(jīng)過(guò)多次地面試驗(yàn)和飛行考核了。

4.多星分離時(shí)序

圖13 Falcon9的三個(gè)版本對(duì)比示意圖

圖14 一級(jí)關(guān)機(jī)時(shí)間（MECO）

圖15 二級(jí)總工作時(shí)間

SpaceX承擔(dān)的一箭多星發(fā)射任務(wù)，占到總?cè)蝿?wù)量的約1/4，比較典型的有：二代銥星、星鏈等，多次啟動(dòng)實(shí)施差異化軌道部署的較少。表4列出了多星發(fā)射任務(wù)載荷分離時(shí)段的基本情況。相比之前對(duì)星箭分離的認(rèn)知，還是有不少值得琢磨之處，比如：二代銥星一箭10星發(fā)射，間隔約100s才分離一顆衛(wèi)星，國(guó)內(nèi)似乎較少采用這種模式。星鏈走的則是另一個(gè)極端，60顆衛(wèi)星整體一次性與火箭分離，再自行分散。

在F65 Spaceflight一箭64星拼車發(fā)射任務(wù)（參見(jiàn)圖21、22）中，多星分配器由Spaceflight公司承制，SpaceX并未負(fù)責(zé)多星分離的設(shè)計(jì)與實(shí)施。

5.射前準(zhǔn)備流程

射前時(shí)序變化，主要是加注、預(yù)冷、增壓，其他的信息過(guò)少，射前關(guān)鍵工序時(shí)間對(duì)比情況見(jiàn)表5。

綜合而言：

加注時(shí)序大致經(jīng)歷了約-4h/-3h/-1h/-0.5h開(kāi)始加注四種狀態(tài)，相應(yīng)的完成加注時(shí)間有-3h/-1.5h/-0.5h/-0.25四種狀態(tài)，并在Block5版本上達(dá)到極致（Falcon 9H的加注時(shí)間相比Block5略有提前），可見(jiàn)隨著過(guò)冷推進(jìn)劑的使用，射前流程安排在不斷的壓縮，以期發(fā)揮“過(guò)冷”的效果；但似乎在加注流程安排上也存在一定的反復(fù)，即F21-F28期間已試驗(yàn)了-0.5h狀態(tài)，但在Block5之前又回到了-1h狀態(tài)；

射前預(yù)冷從F27開(kāi)始，從-10m-＞-7m；

射前增壓從F21開(kāi)始，從-40s-＞-1m，可能是加長(zhǎng)箭體后，氣體需求量增加。

6.一級(jí)回收段解讀

Falcon 9從F6開(kāi)始進(jìn)行再入返回減速試驗(yàn)，到F21首次陸地回收成功，再到F23首次海上回收成功；截止目前，F(xiàn)alcon 9/H總共進(jìn)行了78次一級(jí)回收嘗試，67次成功，為回收配備了兩個(gè)海上平臺(tái)、三個(gè)陸地回收著陸場(chǎng)，基本情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表6。

圖16 最大動(dòng)壓時(shí)刻

圖17 滑行時(shí)間

圖18 載荷分離-二級(jí)關(guān)機(jī)時(shí)間

圖19 一級(jí)分離相對(duì)時(shí)間

除Falcon 9早期版本以及計(jì)劃中的不出駁船以外，一級(jí)工作時(shí)間與回收距離的關(guān)系基本如表7。

其中陸上返場(chǎng)、近?；厥招枰谝欢?jí)分離后進(jìn)行返回機(jī)動(dòng)、減速機(jī)動(dòng)和垂直著陸機(jī)動(dòng)三次機(jī)動(dòng)；遠(yuǎn)?；厥罩粓?zhí)行減速和垂直著陸兩次機(jī)動(dòng)。

Falcon 9H兩個(gè)助推器大致工作150s，芯級(jí)通過(guò)節(jié)流工作180～210s，芯級(jí)回收點(diǎn)航程較Falcon 9一級(jí)較遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)達(dá)到過(guò)1200km（F9H-F3），三次芯級(jí)回收均未成功。F9H-F1的芯級(jí)還執(zhí)行了類似近?；厥盏姆祷貦C(jī)動(dòng)程序。

海上駁船是個(gè)好的選擇，大大提升了回收選點(diǎn)的靈活性，比內(nèi)陸發(fā)射，航線下建回收?qǐng)銎阂`活——火箭一級(jí)推進(jìn)劑足以支持其返回到離岸300km距離的，就不必讓駁船開(kāi)出去那么遠(yuǎn)，能力不富裕的就讓駁船開(kāi)到600km等候。SpaceX目前一共有四條駁船，運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)不低，似乎是為更高密度的發(fā)射和回收做好準(zhǔn)備。

2020年2月17日，F(xiàn)-82 星鏈第5次組批發(fā)射一級(jí)未能成功進(jìn)行海上回收；3月6日，馬斯克在社交媒體上發(fā)文稱是錯(cuò)誤的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)致的回收失敗，這引發(fā)了回收段會(huì)使用測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的猜想，可能會(huì)調(diào)整一級(jí)上升段方案或在下降段考慮風(fēng)的影響，提前讓船移動(dòng)到指定位置等待，也可能兩者兼有之。

通過(guò)任務(wù)手冊(cè)的數(shù)據(jù)，也能對(duì)部分任務(wù)的回收段時(shí)序有所認(rèn)知，按陸上回收、近?；厥蘸瓦h(yuǎn)海回收分別進(jìn)行了圖例繪制，可知：

A）對(duì)于陸上回收，一般在級(jí)間分離后20s內(nèi)進(jìn)行返回機(jī)動(dòng)，390s左右進(jìn)行再入減速機(jī)動(dòng)，在起飛后約450～600s左右完成著陸動(dòng)作；（圖25-27）

B）對(duì)于近?；厥?，一般在350～400s左右進(jìn)行再入減速機(jī)動(dòng)，在起飛后約500s左右完成著陸動(dòng)作；（圖28、29）

圖20 二級(jí)啟動(dòng)相對(duì)時(shí)間

表4 SpaceX一箭多星發(fā)射載荷分離時(shí)段

C）對(duì)于遠(yuǎn)?；厥?，一般在380s左右進(jìn)行再入減速機(jī)動(dòng)，在起飛后約500s左右完成著陸動(dòng)作。FH-F3的芯級(jí)回收距離最遠(yuǎn)，達(dá)到1200km+，故相應(yīng)的時(shí)序發(fā)生最晚。（圖30、31）

7.一級(jí)復(fù)用情況統(tǒng)計(jì)

從2017年3月30日第一次使用二手一級(jí)火箭開(kāi)始，到2020年F81為止，F(xiàn)alcon 9一子級(jí)復(fù)用的基本情況如表8所示?？梢?jiàn)在80余次的發(fā)射任務(wù)中，有接近70%都使用了復(fù)用一子級(jí)。一子級(jí)從編號(hào)B1046開(kāi)始為Block5版本，之前的版本未有使用超過(guò)兩次的記錄；而全系列Falcon 9火箭一子級(jí)目前總共生產(chǎn)數(shù)量約60個(gè)左右。

從復(fù)用時(shí)間間隔來(lái)看，最短間隔時(shí)間50天，最長(zhǎng)619天，平均值167天，尚未出現(xiàn)1個(gè)月內(nèi)復(fù)用的情況，說(shuō)明真正意義上的快速檢測(cè)、復(fù)用可能仍處于研究與試驗(yàn)中。（參見(jiàn)表9）

2020年2月初，SpaceX的工程師在卡角肯尼迪航天中心做了簡(jiǎn)短的演講，涉及以下主要信息：

翻新Falcon 9一級(jí)需要1個(gè)月的時(shí)間；

成立了類似于民航客機(jī)檢修的箭體翻新小組；

芯級(jí)回收以后只留在發(fā)射場(chǎng)當(dāng)?shù)氐膹S房中，基本不會(huì)跨州使用或返回霍桑的工廠；

翻新過(guò)程中，需檢查連接部位和焊縫，并確保所有的航電設(shè)備都工作正常，檢修工作要求非常細(xì)致，所以耗時(shí)較長(zhǎng)，團(tuán)隊(duì)尚在實(shí)踐中摸索。

2020年3月18日，第6批星鏈組批發(fā)射，首次使用了五手一級(jí)箭體，編號(hào)B1048.5，使復(fù)用次數(shù)達(dá)到新的記錄——5次，是當(dāng)初宣稱的小規(guī)模翻修節(jié)點(diǎn)，但在一級(jí)飛行末段，外圍的1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障，一級(jí)回收也出現(xiàn)問(wèn)題未能夠成功著船。在發(fā)射前夕，SpaceX總裁肖特維爾表示，公司不再對(duì)Falcon 9火箭一級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，同時(shí)不打算復(fù)用一級(jí)超過(guò)10次以上，但不排除進(jìn)一步改進(jìn)火箭二級(jí)的可能。（參見(jiàn)圖32）

圖21 F65-Spaceflight SSO-A多星發(fā)射任務(wù)想象圖

圖22 F65-Spaceflight SSO-A多星發(fā)射分配器圖解

2020年6月以來(lái)，在星鏈帶來(lái)的高密度發(fā)射中，B1049與B1051均實(shí)現(xiàn)了6次飛行；B1058把復(fù)用時(shí)間縮短到50天。

2020年8月31日，馬斯克在推特上稱將會(huì)在Starlink任務(wù)中將獵鷹9的復(fù)用次數(shù)推高到10次。

8.按主要任務(wù)類別解讀

Falcon9/H執(zhí)行的100次發(fā)射任務(wù)，一半以上任務(wù)均采用了多次啟動(dòng)，多次啟動(dòng)技術(shù)大大提升了發(fā)射任務(wù)靈活性，只有國(guó)際空間站、星鏈等軌道高度較低的發(fā)射任務(wù)未應(yīng)用多次啟動(dòng)技術(shù)。

（1）國(guó)際空間站（ISS/LEO）任務(wù)

2020年3月7日，發(fā)射的CRS-20任務(wù)，是SpaceX執(zhí)行的第一階段“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)（CRS）”合同的最后一發(fā)。可以說(shuō)SpaceX是從承擔(dān)CRS任務(wù)起家的，有20余次的飛行都是和國(guó)際空間站相關(guān)的。在這20余次的飛行中，兩級(jí)火箭連續(xù)工作時(shí)間500～600s，發(fā)射高度較低的LEO任務(wù)是比較合適的。

貨運(yùn)龍飛船質(zhì)量（含2t左右的補(bǔ)給物資）一般在8t左右，在回收技術(shù)成熟后利用富余運(yùn)載能力實(shí)現(xiàn)一級(jí)陸上回收。也有幾例比較特殊的情況，采用了海上回收模式，具體原因不詳。首次海上回收成功就是F23 CRS-8/Dragon10任務(wù)。有兩次任務(wù)（F-71、F74）主動(dòng)段時(shí)序僅有2s的差異，但分別采用了陸上和海上回收；另，F(xiàn)-69執(zhí)行的載人龍飛船試驗(yàn)任務(wù)，飛船重12.5t，采用的是海上回收模式。

CRS合同不僅僅是一個(gè)發(fā)射合同，是火箭+飛船的打包銷售合同，其針對(duì)的是“俄羅斯聯(lián)盟火箭+進(jìn)步號(hào)飛船”的組合。通過(guò)這20余次任務(wù)所開(kāi)展的研制、試驗(yàn)與改進(jìn)，SpaceX不僅做到了火箭部分重復(fù)使用，也做到了飛船部分重復(fù)使用，開(kāi)啟了航天業(yè)內(nèi)重復(fù)使用的新模式。

（2）二代銥星（Iridium NEXT）組網(wǎng)任務(wù)

銥星系統(tǒng)是低軌全球移動(dòng)通信系統(tǒng)，第一代銥星星座總計(jì)66顆衛(wèi)星，分布在6個(gè)近地軌道面上，1998年完成部署。其部署（含補(bǔ)充星），選用了4型火箭：其中60顆，以一箭五星的方式由Delta2 7920-10C重型發(fā)射12次完成部署；21顆，以一箭七星的方式分3次由Proton-K/DM-5發(fā)射完成；剩下的，都以一箭雙星的方式完成，CZ-2C/FP發(fā)射了6次，Rockot/Breeze-KM發(fā)射了1次。

二代銥星計(jì)劃，于2007年啟動(dòng)，只選用了一型火箭進(jìn)行發(fā)射，就是SpaceX的Falcon 9，主要以一箭十星的方式發(fā)射入軌，組網(wǎng)任務(wù)耗時(shí)2年時(shí)間，發(fā)射了8次，共計(jì)75顆衛(wèi)星。采用了二級(jí)長(zhǎng)時(shí)間滑行+遠(yuǎn)地點(diǎn)二次啟動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)短時(shí)間工作的發(fā)射方案，由于二次啟動(dòng)的速度增量需求很小，F(xiàn)alcon 9二級(jí)的大推力發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間很短，最短3s最長(zhǎng)11s，而且可能還是節(jié)流狀態(tài)，技術(shù)上是比較領(lǐng)先的。

表5 SpaceX射前關(guān)鍵工序時(shí)間對(duì)比

在8次發(fā)射任務(wù)中，有3次沒(méi)有回收（沒(méi)派出駁船），但其中的2次執(zhí)行了再入減速和落海動(dòng)作，可能是進(jìn)行回收子樣累計(jì)試驗(yàn)。

（3）地球同步轉(zhuǎn)移軌道(GTO/GTO+/GTO-)任務(wù)

2013年12月，F(xiàn)alcon9火箭F7發(fā)射SES-8衛(wèi)星是其首次GTO任務(wù)。在總計(jì)30次的GTO任務(wù)中，對(duì)重量不同的載荷采取差異化策略，通過(guò)一子級(jí)回收/不回收、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度調(diào)整（GTO-/GTO/GTO+）多種組合滿足用戶和重復(fù)使用的需求。

Falcon9是市面上罕見(jiàn)的可適應(yīng)主流GTO載荷的兩級(jí)串聯(lián)、且不用氫氧動(dòng)力的火箭，無(wú)論是美國(guó)自己的Delta、Atlas，俄羅斯的Angara、Proton，歐空局的Ariane，日本的H-2，還是國(guó)內(nèi)的CZ-3A系列、CZ-7A等，都不符合這1條，要么用了更多的級(jí)數(shù)，要么用了氫氧動(dòng)力。這說(shuō)明Falcon9在結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化、發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能方面已經(jīng)達(dá)到很高水平，牢牢抓住了“火箭”的根基。火箭，火不就說(shuō)的是發(fā)動(dòng)機(jī)嗎？箭說(shuō)的不就是箭體結(jié)構(gòu)嗎？加上多次啟動(dòng)的技術(shù)，更是如虎添翼，成為一型“包打天下”的產(chǎn)品，不用再加個(gè)三級(jí)或是四級(jí)了。

三、體會(huì)和認(rèn)識(shí)

1.SpaceX的發(fā)展離不開(kāi)官方的實(shí)質(zhì)性支持

從某種程度上說(shuō)，Spacex是美國(guó)ULA公司壟斷發(fā)射市場(chǎng)和俄羅斯壟斷載人天地往返格局的受益者，NASA有限的經(jīng)費(fèi)要用于航天發(fā)射、空間站補(bǔ)給、載人往返，在這兩個(gè)壟斷供應(yīng)商的高價(jià)面前捉襟見(jiàn)肘。況且ULA因?yàn)槭治沾罅寇姺接唵?，使NASA在議價(jià)中處在極其不利的地位。轉(zhuǎn)而扶植太空探索技術(shù)公司等私營(yíng)供應(yīng)商，也是一種破局的選擇。

NASA從人才、技術(shù)、政策等方面對(duì)SpaceX大量?jī)A斜，還對(duì)這家新興企業(yè)進(jìn)行了輸血式的經(jīng)費(fèi)扶持。在Falcon 9飛行的早期，幾乎所有合同都來(lái)自于NASA，即使到了它顛覆國(guó)際商業(yè)發(fā)射服務(wù)市場(chǎng)、強(qiáng)力切入軍方發(fā)射市場(chǎng)的今天，NASA合同在Falcon 9的任務(wù)當(dāng)中也占有很大的比重。

表6 Falcon 9/H一級(jí)回收基本情況統(tǒng)計(jì)

表7 Falcon 9一級(jí)工作時(shí)間與回收距離

圖23 一級(jí)駁船回收平臺(tái)

圖24 整流罩回收船

2.中國(guó)商業(yè)航天的環(huán)境與美國(guó)不同

中國(guó)的發(fā)射服務(wù)業(yè)格局與美國(guó)有較大的差異。因?yàn)轶w制和機(jī)制，國(guó)有發(fā)射服務(wù)商的議價(jià)能力很低，發(fā)射服務(wù)的利潤(rùn)率被人為控制在某個(gè)水平。偶然甚至?xí)霈F(xiàn)政策性虧損。

國(guó)家允許商業(yè)企業(yè)進(jìn)入發(fā)射服務(wù)業(yè)之后，出現(xiàn)了多家國(guó)有和民營(yíng)的發(fā)射服務(wù)公司，提出了很多型號(hào)，在市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)有限的合同。近幾年，雖然中國(guó)的全年發(fā)射數(shù)量全球領(lǐng)先，但還是不能讓火箭產(chǎn)能充分“吃飽”。

3.商業(yè)航天的產(chǎn)品定位與目標(biāo)

衛(wèi)星應(yīng)用市場(chǎng)才是整個(gè)航天產(chǎn)業(yè)的大盤(pán)，所以SpaceX搞火箭只是個(gè)開(kāi)胃菜，星鏈才是正餐。殖民火星呢？不知道，也許會(huì)給人驚喜，姑且算是道令人期待的surprise甜點(diǎn)吧。

SpaceX的定位和產(chǎn)品研發(fā)路線很明確：揚(yáng)長(zhǎng)避短，追求大運(yùn)力，不做小型號(hào)；減少型號(hào)種類，F(xiàn)alcon 1負(fù)責(zé)演示驗(yàn)證，F(xiàn)alcon 9包辦近地軌道發(fā)射，龍飛船解決空間站往返，星艦志在火星，星鏈負(fù)責(zé)盈利。

4.未來(lái)新應(yīng)用方向的猜想

將航天器發(fā)射入軌是運(yùn)載火箭目前唯一的應(yīng)用場(chǎng)景，未來(lái)新的市場(chǎng)空間在哪里？更大的火箭、完全重復(fù)使用的火箭、太空旅游、洲際航行、衛(wèi)星星座、空間站貨運(yùn)補(bǔ)給、衛(wèi)星搶救飛行器、太空電梯？目前來(lái)看拓展新領(lǐng)域的嘗試很艱難，要想守住已有的陣地都很困難，但不拓展生存空間恐怕于情于理都說(shuō)不過(guò)去。

圖25 陸上回收時(shí)序1

圖26 陸上回收時(shí)序2

圖27 陸上回收時(shí)序3

圖28 近海回收時(shí)序1

人類移動(dòng)速度的變化過(guò)程：靠?jī)蓷l腿跑步，最優(yōu)秀的馬拉松運(yùn)動(dòng)員平均速度是20km/h；起碼，快馬加鞭可達(dá)40km/h；乘坐汽車，速度達(dá)100km/h；乘坐高鐵，速度達(dá)300km/h；乘坐民航客機(jī)，速度達(dá)到了 800km/h……宇航員由火箭載入太空，速度達(dá)到27000km/ h——從民航客機(jī)到火箭，速度跨度猛然加大，筆者總感覺(jué)中間欠缺了承上啟下的一種時(shí)速5k到10k級(jí)的交通方式，我們可以猜想，是類似協(xié)和飛機(jī)那樣的超音速客機(jī)還是亞軌道旅游飛行器？

5.產(chǎn)品成本真的能降低嗎？

航天是個(gè)小眾行業(yè)，在國(guó)內(nèi)的圈子就更小了，配套廠商、試驗(yàn)場(chǎng)地，可供選擇的很有限，即便盡可能的杜絕了單一供應(yīng)商，引入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，產(chǎn)品成本真的能降低很多嗎？成本高的原因就在于市場(chǎng)小、需求小、規(guī)模上不去，因此尋找更廣大的市場(chǎng)空間，打造殺手級(jí)應(yīng)用，才是降低成本的關(guān)鍵。另外，行業(yè)寡頭的存在，存在已久的利益鏈條，只有出現(xiàn)掀麻將桌的玩家，才能倒逼全行業(yè)重新洗牌，可是“拖家?guī)Э凇钡?，真的好轉(zhuǎn)身嗎、能轉(zhuǎn)身嗎？

四、總結(jié)

本文對(duì)搜集到的SpaceX Falcon9/H任務(wù)手冊(cè)進(jìn)行了內(nèi)容整理，結(jié)合發(fā)射記錄、發(fā)射簡(jiǎn)報(bào)的情況，從發(fā)射記錄解讀、飛行時(shí)序、射前準(zhǔn)備時(shí)序、任務(wù)分類統(tǒng)計(jì)等多個(gè)維度，回顧了Falcon9火箭發(fā)展歷程、多星分離、射前準(zhǔn)備流程的演變、一級(jí)回收復(fù)用等頗具特點(diǎn)的方方面面，有以下主要認(rèn)識(shí)和觀點(diǎn)：

我們總關(guān)注SpaceX，既是因?yàn)槠浯_實(shí)出色，也是因?yàn)槠鋵?duì)外界相對(duì)的更公開(kāi)透明；

圖29 近海回收時(shí)序2

圖30 遠(yuǎn)?；厥諘r(shí)序1

圖31 遠(yuǎn)?；厥諘r(shí)序2

表8 一子級(jí)復(fù)用的基本情況

早期，以CRS任務(wù)為代表的政府發(fā)射訂單對(duì)SpaceX的存續(xù)及技術(shù)進(jìn)步有強(qiáng)力支撐作用；近年來(lái)，星鏈項(xiàng)目發(fā)射需求激增，SpaceX自身創(chuàng)造發(fā)射需求的特征非常顯著；

作為初始版本的v1.0與中間版本的v1.1，在有限的發(fā)射次數(shù)后，即停產(chǎn)棄用；

在任務(wù)手冊(cè)中基本能夠映證四個(gè)項(xiàng)目：一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流能力的變化、級(jí)間段長(zhǎng)度變化、采用過(guò)冷推進(jìn)劑、一級(jí)重復(fù)使用的頻率；

多星發(fā)射分離（時(shí)序）設(shè)計(jì)有特點(diǎn)；

射前加注程序大致經(jīng)歷了約-4h/-3h/-1h/-0.5h四種狀態(tài)；

一級(jí)回收主要有0km（返場(chǎng)）、300km（近海）、600km（遠(yuǎn)海）三種模式，具體選擇主要與運(yùn)載能力富余情況有關(guān)，并與上升段工作時(shí)間呈現(xiàn)一定的匹配關(guān)系；海上駁船是個(gè)好的選擇，大大提升了回收選點(diǎn)的靈活性；

真正意義上的一級(jí)回收后快速檢測(cè)、復(fù)用還未實(shí)現(xiàn)，目前的一子級(jí)使用次數(shù)最高達(dá)到6次，復(fù)用最小間隔時(shí)間為50天；

SpaceX不僅造火箭，還造飛船、衛(wèi)星，開(kāi)創(chuàng)了火箭、飛船重復(fù)使用的新模式；

Falcon9火箭動(dòng)力系統(tǒng)綜合性能、結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化已經(jīng)達(dá)到很高水平，是罕見(jiàn)的可適應(yīng)主流GTO載荷的兩級(jí)串聯(lián)、且不用氫氧動(dòng)力、“包打天下”的火箭。

表9 一子級(jí)復(fù)用間隔時(shí)間統(tǒng)計(jì)

圖32 多次啟動(dòng)任務(wù)比例

圖33 龍飛船執(zhí)行補(bǔ)給任務(wù)

圖34 Falcon9火箭與第二代銥星

圖35 部分世界運(yùn)載火箭圖例